Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ветродвигатели для механизации животноводческих ферм

Ветродвигатели для механизации животноводческих ферм

К ветродвигателю, предназначенному для водоснабжения, предъявляются требования, чтобы он в первую очередь обеспечил ферму водой, а при избытке мощности приводил в движение кормообрабатывающие машины. Можно, конечно, поставить и два ветродвигателя: один для водокачки, а второй для привода машин.

Выбор ветродвигателя для обеспечения фермы водой зависит:

а) от потребного суточного количества воды, а следовательно, от поголовья скота на ферме;

б) от напора подымаемой воды;

в) от среднегодовой скорости ветра данной местности.

В лесистых местах ветер значительно слабее, чем на открытых.

В местах, окруженных высоким лесом, ветродвигатели вообще не работают. Даже отдельные высокие близко стоящие деревья и постройки значительно снижают мощность ветродвигателей.

Суточные нормы расхода воды (в л):

На одну корову при ручной дойке

На одну корову при механической дойке

На одну корову откормочную

На одну голову молодняка

На одного хряка

На одну свиноматку с приплодом

На одну свинью откормочную

На одну лошадь рабочую и верховую

На одну кобылу (матку) кормящую

На одну кобылу (матку) некормящую

На жеребца в возрасте до 1,5 года

На овцу с ягнятами

Локомобили и другие паровые машины на 1 л. с. в час 25 л.

1. Приведенные нормы включают расход воды на хозяйственные и питьевые нужды.

2. Для определения максимальных часовых и суточных расходов воды вводятся коэффициенты неравномерности (суточный = 1,3 и часовой = 2-2,5).

Суточный расход воды определяется следующим образом. Количество голов каждого вида скота умножают на суточную норму воды, а затем итоги по видам скота складывают. Если есть какие-либо иные потребители воды, как, например, локомобиль, трактор, молочная и т. п., то необходимо включить и этих потребителей воды. После подведения итога, т. е. суммирования всех расходов, надо прибавить еще 5-10% на разлив и непредвиденные расходы. В результате получим действительный суточный расход воды, который должен быть обеспечен насосом и двигателем.

При проектных расчетах вместо прибавки 10% вводят так называемый коэффициент суточной неравномерности, равный 1,3. Для подсчета с коэффициентом следует суммарный суточный расход воды умножить на 1,3.

Напор подымаемого столба воды определяется как сумма:

а) высоты подъема воды от динамического уровня воды в скважине до поверхности земли;

б) высоты от поверхности земли до верха бака водонапорной башни или иного водохранилища;

в) потерь на трение воды в трубах.

Величина напора измеряется в метрах. Величина потерь напора в трубах на трение невелика и может быть принята 1 м потерь напора на 20-25 м подъема.

При установке электромоторов следует подбирать их мощность с запасом на 30-50% больше расчетной.

Мощность ветродвигателя, работающего на поршневой насос, оказывается, используется не полностью, а меньше. К. п. д. ветродвигателя снижается с 0,3 до 0,23. Поэтому при расчетах производительности по мощности следует вводить поправочный коэффициент К = 0,23/0,30 = 0,7.

Подбор выгоднейшего хода поршня насоса.

Далеко не безразлично, какой поставить к ветродвигателю насос и какой выгоднее установить ход поршня. Дело в том, что мощность насоса растет пропорционально числу качаний, а ветродвигателя — пропорционально кубу скорости ветра. Поэтому характеристики мощности насоса и ветродвигателя не совпадают. Обычно подбор лучшего хода поршня производят, совмещая характеристики ветродвигателя и насоса. Кривую насоса выбирают ту, которая дает большее время работы его по среднегодовой скорости ветра.

Насос, установленный по мощности на большие скорости ветра, перегружает ветродвигатель на оптимальных скоростях настолько, что он не работает большую часть года, в то время как вода нужна ежедневно.

Исходя из опыта подбора насосов и ходов поршня следует, что для равномерной подачи воды необходимо выбирать такой ход поршня или диаметр насоса, при котором мощность насоса соответствовала бы максимальной мощности ветродвигателя, развиваемой им при среднегодовой скорости ветра данного района. Подобранный таким образом насос будет иметь оптимальную производительность в течение года.

Так как мощность подключенного насоса соответствует мощности двигателя при среднегодовой скорости ветра и растет незначительно в сравнении с нарастанием мощности двигателя при увеличении скорости ветра, то естественно вытекает, что. на более высоких скоростях ветродвигатель будет недогружен. Следовательно, ветродвигатели в ветронасосных установках целесообразно догружать приводом кормообрабатывающих машин.

Во всех случаях подбора выгоднейшего хода поршня следует руководствоваться соображением, что лучше, чтобы насос работал на более низких скоростях ветра, так как стронуться ему будет легче и продолжительность работы будет больше. Отсюда суточная подача воды будет равномернее и больше в маловетренные дни. Поэтому практичнее из двух возможных решений выбирать меньший ход.

Если будет замечено, что ветронасосная установка часто простаивает или, наоборот, работает, но недостаточно подает воду, то следует практически проверить и подобрать лучший ход поршня. В первом случае, т. е. при частом простаивании ветродвигателя, надо уменьшить ход поршня. Во втором случае — увеличить ход поршня. Если ходы поршня стоят на пределах и изменить их невозможно, а изменение нагрузки необходимо, — надо менять насос на другой, с меньшим или большим диаметром цилиндра.

Выбор диаметра ветрового колеса ветродвигателя необходимо производить в зависимости от суточного расхода воды, величины напора и среднемесячной скорости ветра.

Для избежания возможных ошибок следует исходить из показателя меньшего расхода воды. В этом случае фактическая производительность ветронасосной установки иногда может оказаться несколько выше ожидаемой. Полученный излишек будет служить резервом мощности.

Ввиду того, что зимой скорости ветров выше, чем летом, и воды зимой на фермах требуется больше, то подбор ветродвигателя можно производить по показателям, соответствующим несколько большим скоростям ветра.

Еще раз напомним, что в каждом отдельном случае надо считаться с диаметром скважины (бурового колодца). Если диаметр скважины мал, то нельзя поставить ветродвигатель с насосом большого диаметра. Максимальный диаметр насоса должен быть меньше диаметра скважины на 55-60 мм.

Ветры не постоянны по скорости, поэтому неизбежны моменты, когда ветер будет отсутствовать. Если в момент, когда потребуется вода, не будет ветра, то ветродвигатель воды не даст. Иногда на большой ферме потребуется сразу большое количество воды (водопой большого стада скота, вернувшегося с поля), насос же работает довольно медленно, не считаясь с потребностью, особенно при слабых ветрах, и воды будет недостаточно. Чтобы избежать таких случаев при водоснабжении с помощью ветродвигателей, необходимо иметь водонапорные баки или иные водохранилища, куда накачивается вода и расходуется по мере надобности. На фермах, оборудованных водопроводом и автопоилками, вода, особенно зимой, расходуется почти беспрерывно, так как скот пьет воду и ночью. Установка водонапорного бака является обязательной частью строительства ветронасосной установки.

Теоретически считается, что емкость баков должна быть равной двухдневному запасу воды, но практика показала, что достаточно и несколько меньшего запаса.

Водохранилищем, желательным для фермы, является водонапорная башня с деревянным или железным баком. Высота башни, достаточная для обеспечения противопожарного напора, должна быть 12 м до днища бака. Установленный бак обшивается двустенной дощатой оградой с засыпкой межстенного пространства. Ограда эта образует помещение, защищающее воду в баке зимой от замерзания.

Трубы — подающая воду в бак от насоса, разводящая, т. е. подающая воду из бака в сеть, и сливная (для слива излишка и промывки бака) — ставятся вместе и обшиваются дощатым двустенным коробом с засыпкой. Ноги башни во избежание подгнивания и осадки устанавливаются на деревянные лаги, которые укладываются на кирпичные или бетонные фундаменты и прикрепляются анкерными болтами.

Баки рекомендуется делать деревянными из досок (клепки), стянутыми натяжными или набивными обручами. Набивные обручи ставятся на конические баки, а натяжные — на цилиндрические баки. Последние применяются чаще, так как цилиндрические баки проще в изготовлении и крепление их надежнее. В эксплуатации эти баки также удобнее.

При постройке водонапорной башни следует руководствоваться имеющимися типовыми проектами.

Как временное мероприятие на мелких фермах при невозможности построить водонапорную башню бак может быть поставлен на чердаке коровника или конюшни. В этих случаях бак делается небольшой, емкостью 10-15 куб. м. Балки, на которых ставится бак, обязательно подкрепляются стойками.

Экономически выгодно использовать ветродвигатели не только на водоснабжении, но и для комплексной механизации трудоемких работ на животноводческих фермах. Опыт показал, что комплексную механизацию могут обеспечить не только ветродвигатели с большим диаметром ветрового колеса, но и малые ветродвигатели. Даже ветродвигатель с диаметром ветрового колеса 8 м, кроме водоснабжения, может сделать много работ, а малые фермы он механизирует полностью. Это объясняется тем, что двигатель имеет неиспользованную мощность на скоростях ветра выше той, на которую установлен насос, а он устанавливается обычно на среднегодовую скорость ветра, а во-вторых, насос может работать в ночное время. Днем же ветродвигатель используется для привода кормообрабатывающих машин.

Для полного использования ветродвигателя требуется умело комплектовать его машинами и правильно подбирать передачи. Основным условием является требование, чтобы сумма мощностей подсоединенных машин не превосходила той мощности, которую может выделить ветродвигатель большую часть времени в данной местности. Оказалось, что наивыгоднейшей будет нагрузка, мощность которой соответствует скорости ветра, которая в полтора раза больше среднегодовой скорости. Из этого положения вытекает правило: нормальная мощность подключенных одновременно к ветродвигателю машин не должна превышать мощность ветродвигателя, развиваемую им при действующей скорости ветра, которая в полтора раза больше среднегодовой скорости ветра в данном месте.

Читать еще:  Что шумит в шаговом двигателе

Из определения нормальной мощности подключенных к ветродвигателю машин вытекает, что установленной мощностью ветродвигателя является мощность, соответствующая N = Vраб = 1,5 Vср. год. А поэтому следует устанавливать начало регулирования ветродвигателей на скорость ветра V раб. = 1,5 Vcp. год. Установка начала регулирования должна производиться во время работы ветродвигателя, т. е. под нагрузкой, так как без нагрузки двигатель начинает регулироваться при меньших скоростях ветра. Установка начала регулирования двигателя производится обязательно с помощью анемометра, который определяет скорость ветра. По внешним признакам скорость ветра точно установить нельзя.

При всех расчетах трансмиссии необходимо исходить из скорости вращения шкива редуктора ветродвигателя, которая соответствует установленной мощности.

Снижение момента начала регулирования до полуторной среднегодовой скорости ветра важно еще и потому, что постоянство числа оборотов начинается только после начала процесса регулирования, при котором двигатель отдает свою установленную мощность. На малых скоростях ветра двигатель работает на переменных числах оборотов и с разной мощностью. Установить начало регулирования на скорость ветра ниже 1,5 Vср. год. также нет смысла, так как значительно снизится отдаваемая мощность. Поэтому оптимальной величиной скорости ветра, при которой происходит максимальная выработка и должно происходить начало регулирования, является Vрa6. = 1,5 Vср. год. При этих условиях обеспечивается и максимальное качество работы машин.

Чтобы подключенные машины (одна или несколько) могли нормально работать, необходимо при указанных скоростях ветра сообщать им те обороты, на которых они дают максимальную производительность. При среднегодовых скоростях ветра 4-4,5 и 5 м/сек полуторные ветры соответственно будут иметь 6-6,8 и 7,5 м/сек, а мощности на шкиве будут приблизительно 3,4 и 5 л. с. Поэтому мощность машин, одновременно работающих от ветродвигателя с диаметром ветрового колеса 8 м, также не должна превышать этой мощности.

Устройство трансмиссии должно допускать включение машин в одиночку или группами путем соединения их ремнями или, что еще лучше, переводом ремня с холостого на рабочий шкив.

При подсчете мощности, требующейся для привода машин, надо добавлять 5—8% к каждой машине на потери мощности в трансмиссии.

Признаком нормальной нагрузки служит нормальное число оборотов приводных машин. Если замечается, что обороты машин увеличиваются, то это является доказательством, что имеется избыток мощности от возникшей большей скорости ветра.

Если при увеличении сверх нормального числа оборотов, т. е. при избытке мощности, не будет возможности подключить дополнительно какую-либо машину, то можно уменьшить мощность и число оборотов ветродвигателя частичным выводам ветроколеса из-под ветра лебедкой останова. Этой же лебедкой можно в значительной степени регулировать число оборотов шкива и приводимых машин.

Правильно отрегулированный ветродвигатель автоматически не допустит больших оборотов. Надобность искусственного уменьшения числа оборотов лебедкой останова свидетельствует о том, что ветродвигатель плохо отрегулирован, т. е. момент начала регулирования отнесен на более высокие скорости ветра или неправильно сделан подбор шкивов.

Весьма важным делом является правильный подбор и расстановка кормообрабатывающих машин в кормоцехе. При решении вопроса наиболее рационального расположения машин в каждом отдельном случае надо обдумать и посоветоваться с рабочими, которые будут работать в цехе. Рабочие, зная трудности работы, скорее всего могут подсказать наиболее рациональные места расположения машин, обеспечивающие удобство, экономичность и легкость работы цеха.

Вторым вопросом является подбор кормообрабатывающих машин к ветродвигателю. При подборе машин следует ориентироваться на комплекс таких машин, которые обеспечили бы все нужные работы с наименьшей затратой мощности. По мощности машины подбираются так, чтобы ни одна из них не превосходила установленной мощности ветродвигателя.

Из подходящих машин желательно ставить такие, которые но мощности могут работать не по одной, а по две-три одновременно.

Наличие резервного двигателя определяется тем, какие работы будет выполнять ветродвигатель. Если назначение ветродвигателя обеспечивать ферму только водой и размолом кормов, то резервный двигатель не нужен, так как вода и размолотый корм могут быть заготовлены на несколько дней и сделан запас на безветренное время. Если же ветродвигатель должен обеспечивать привод всех кормообрабатывающих машин, т. е. обеспечивать комплексную механизацию, то подсобный резервный двигатель необходим.

Ветровой двигатель

Использование: в ветроэнэргетике. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит ротор 1 с прикрепленными осями 3, на которых под углом к вертикали установлены поворотные лопасти 4 7. Лопасти соединены пружинами 8 с возможностью поворота в рабочее положение на угол v + 90° при сопротивлении пружины и в холостое (горизонтальное) положение на угол 90° v в противоположном направлении, при котором пружины не оказывают сопротивление повороту лопастей. 6 з. п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к конструкциям с осью вращения, перпендикулярной направлению ветра. Двигатель может быть использован для приведения в действие электрических генераторов, водяных насосов, компрессоров и т.п.

Ближайшим по технической сущности к предлагаемому является устpойство ветродвигателя с вертикальным валом, содержащее ротор и прикрепленные к нему оси, на которых установлены поворотные лопасти, соединенные с упругими элементами с возможностью поворота на 90 о .

Недостатками указанного прототипа является то, что при переходе лопастей из рабочего положения в холостое и обратно возникают ударные нагрузки на конструкцию и в результате чего возникает необходимость применять различные амортизирующие элементы, а также нет защиты конструкции от разрушения при большой силе ветра.

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности, уменьшение уровня шума, защита конструкции от разрушения при большой силе ветра, получение возможности работы при малой силе ветра, увеличение КПД и мощности ветрового двигателя.

Сущность изобретения состоит в том, что в ветровом двигателе, содержащим вертикальный вал с радиально закрепленными на нем осями, к которым крепятся основные лопасти, соединенные с упругими элементами, основные лопасти установлены под углом к вертикальной плоскости с возможностью поворота на угол + 90 о в направлении, совпадающем с направлением воздушного потока, и на угол 90 о в противоположном направлении.

В предлагаемом ветровом двигателе отсутствуют ударные нагрузки, так как лопасти при поворотах на углы + 90 о и 90 о не встречают каких-либо упоров, а в рабочем положении (близком к вертикальному, т.е. при повороте на угол, близкий к ) удерживаются силой упругих элементов. Эта же причина снижает уровень шума.

Защита конструкции от разрушения при большой силе ветра достигается тем, что лопасти имеют возможность дальнейшего поворота из рабочего положения до угла + +90 о .

Увеличение КПД и возможность работы двигателя при слабом ветре достигается тем, что лопасти могут быть закреплены на осях с эксцентриситетом или в своей средней части, снабжены противовесом или дополнительными параллельными осями и лопастями, работающими синхронно с основными. Последнее, кроме того, позволяет вдвое увеличить мощность двигателя.

На фиг. 1,2,7,8, 9, 11 изображены варианты выполнения ветрового двигателя; на фиг.3,4,5 виды А,Б,В на фиг.2 основной лопасти в исходном, холостом (горизонтальном) и рабочем (вертикальном) положении соответственно; на фиг.6 разрез Г-Г на фиг.2; на фиг.10 вид по стрелке Д на фиг.9 (элементы ветрового двигателя, не имеющие отношения к описанию, на чертежах условно не показаны).

Ветровой двигатель содержит вертикальный вал 1 с радиально закрепленными на нем осями 3, к которым крепятся основные лопасти 4-7 под углом к вертикальной плоскости. Каждая лопасть установлена на оси 3 шарнирно, а ее нижняя кромка соединена упругим элементом 8 с периферийным концом соседней оси в направлении, противоположном направлению воздушного потока.

Двигатель работает следующим образом.

С помощью упругого элемента основная лопасть автоматически принимает нужное положение в зависимости от направленности воздушного потока, воздействующего в данный момент на эту лопасть. При направлении ветра, указанном на фиг.1, лопасть 4, не встречая сопротивления упругого элемента 8, поворачивается под воздействием воздушного потока в положение, близкое к горизонтальному, т.е. на угол, близкий к величине 90 о , а диаметрально расположенная лопасть 6, преодолевая сопротивление упругого элемента 8, под воздействием воздушного потока поворачивается в противоположном направлении, принимая в идеале положение, близкое к вертикальному, т.е. на угол, близкий к . Разность ветровых усилий, действующих на лопасть 4, и на лопасть 6, создает крутящий момент на валу 1 вокруг оси 2. В результате лопасти меняются местами. Когда сила ветра превышает допустимую, упругий элемент 8, отрегулированный на определенную нагрузку, позволяет продолжить поворот лопасти 6 на угол, больший (до + 90 о ). Причем, чем больше сила ветра, тем на больший угол повернется лопасть 6, больше уменьшаются лобовая площадь лопасти и угол атаки, что и предохраняет конструкцию от разрушения.

Читать еще:  Что такое гибритный двигатель

Ветровой двигатель (фиг.1) очень прост в эксплуатации и в изготовлении, надежен, лопасти при работе не имеют контакта с упорами конструкции, поэтому отсутствуют ударные нагрузки и нет необходимости в применении демпферных устройств, имеет защиту от разрушения при большой силе ветра, но его работа невозможна в снегопад и при обледенении из-за того, что упругий элемент 8 расположен почти горизонтально и имеет относительно большую длину и не может быть защищен от атмосферных осадков.

Этот недостаток отсутствует в варианте двигателя на фиг.2.

Вариант ветрового двигателя (фиг. 2) отличается от варианта двигателя (фиг.1) только расположением упругих элементов и более сложным креплением их к лопастям. В варианте двигателя (фиг.2) каждая лопасть снабжена рычагом 9, который размещен вблизи вала 1. Периферийный конец рычага 9 соединен упругим элементом 10 с валом 1, причем точка соединения упругого элемента 10 с валом 1 лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось 3 лопасти, а точка соединения упругого элемента 10 с рычагом 9 лежит в плоскости, проходящей через ось 3 лопасти и составляющей с плоскостью лопасти угол ( 45 о + 45 + ).

Работа двигателя (фиг.2) аналогична работе двигателя на фиг.1. В исходном (нерабочем) положении (фиг.3) плоскость лопасти 5 расположена под углом к вертикальной плоскости и в упругом элементе 10 возникает незначительное усилие, уравновешивающее вес лопасти 5. Под воздействием ветра (фиг.4) лопасть 4 поворачивается в холостое положение, близкое к горизонтальному до угла 90 о , не встречая сопротивления упругого элемента 10, так как при переходе рычага 9 из положения I в положение II расстояние между точками крепления упругого элемента 10 к валу 1 и рычагу 9 не увеличивается. Диаметрально противоположная лопасть 6 (фиг.5) под воздействием ветра поворачивается в рабочее положение, близкое к вертикальному, т.е. на угол, близкий к , так как усилие от воздействия ветра уравновешивается усилием упругого элемента 10, отрегулированного на определенную нагрузку. При силе ветра выше допустимой лопасть 6 поворачивается на угол более (до угла + 90 o ), преодолевая возрастающее усилие упругого элемента 10, тем самым уменьшается лобовая площадь лопасти и конструкция предохраняется от разрушения.

Разность усилий от воздействия ветра на лопасть 4 и на лопасть 6 создает крутящий момент на валу 1.

Как показано на фиг.6, двигатель может быть снабжен поршневыми амортизаторами 11, соединяющими периферийные концы рычагов 9 с валом 1. Амортизаторы 11 позволяют погасить вибрацию лопастей при нахождении их в холостом (горизонтальном) положении и уменьшить инерционные силы при резком переходе лопастей из холостого положения в рабочее и обратно.

В варианте ветрового двигателя (фиг.7) каждая лопасть снабжена противовесом 12, который расположен по другую сторону оси 3 на некотором расстоянии от этой оси.

В варианте ветрового двигателя (фиг.8) место крепления каждой лопасти на осях 3 делит ее на две части большую, нижнюю и меньшую верхнюю 13, что позволяет увеличить площадь лопастей, а отсюда и мощность двигателя.

Варианты двигателей (фиг.7 и 8) позволяют приблизить центры тяжести лопастей 5-7 к их осям поворота 3 и тем самым уменьшить величины сил инерции поворота лопастей, а также уменьшить требуемое усилие ветра, необходимое для поворота лопастей в горизонтальное положение.

В варианте ветрового двигателя (фиг.9) лопасти 15 шарнирно закреплены на осях 3 с эксцентриситетом «е». При этом силы, действующие на лопасть 15 в холостом положении, показаны на фиг.10, где S сила ветра, Q вес лопасти, «а» величина смещения центра тяжести лопасти 15 при ее повороте в холостое положение.

Такое закрепление лопастей дает им возможность занимать строго горизонтальное положение даже при очень малой силе ветра и тем самым свести к минимуму сопротивление лопасти, увеличить КПД и увеличить диапазон ветровых характеристик, при которых возможна работа двигателя.

В варианте ветрового двигателя (фиг.11) он снабжен дополнительными параллельными осями 16 и лопастями 17, установленными под углом 180 о — к вертикальной плоскости, а также синхронизатором 18 их вращения в противоположных направлениях основным лопастям 4-7. При этом вес соединенных попарно через синхронизатор основной лопасти и дополнительной лопасти взаимно уравновешивается, что позволяет им в холостом положении практически беспрепятственно занимать строго горизонтальное положение даже при минимальной силе ветра, а это в свою очередь увеличивает КПД. Кроме того, при повороте лопастей в рабочее положение суммарная площадь лопастей удваивается и тем самым удваивается мощность двигателя.

1. ВЕТРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий вертикальный вал с радиально закрепленными на нем осями, к которым крепятся основные лопасти, и упругие элементы, отличающийся тем, что лопасти установлены под углом к вертикальной плоскости с возможностью поворота на угол + 90 в направлении, совпадающем с направлением воздушного потока, и на угол 90 противоположном в направлении.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая лопасть установлена на оси шарнирно, а ее нижняя кромка соединена упругим элементом с периферийным концом соседней оси в направлении, противоположном направлению воздушного потока.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая лопасть снабжена рычагом, который размещен вблиза вала, периферийный конец рычага соединен упругим элементом с валом, причем точка соединения упругого элемента с валом лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось лопасти, а точка соединения упругого элемента с рычагом лежит в плоскости, проходящей через ось лопасти и составляющей с плоскостью последний угол 45 +/2. 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что снабжен поршневыми амортизаторами, соединяющими периферийные концы рычагов с валом.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что место крепления каждой лопасти на оси делит лопасть на две части большую нижнюю и меньшую верхнюю.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что лопасти шарнирно закреплены на осях с эксцентриситетом.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными параллельными осями и лопастями, установленными под углом 180 к вертикальной плоскости, а также синхронизаторами их вращения в направлениях, противоположных движению основных лопастей.

Что такое ветровой двигатель

Инж. В. Д. НИКОЛЬСКИЙ.

Сила ветра проявляет себя в давлении на предметы, встречающиеся на его пути. Использование этой силы относится к самым отдаленным временам, когда применение паруса в мореплавании открыло новую страницу в истории человеческой культуры.

Мы не имеем данных для того, чтобы установить время, когда был изобретен первый ветряной двигатель. Но, во всяком случае, он насчитывает за собой добрую тысячу лет. В Европе ветряные двигатели, заимствованные от арабов крестоносцами, стали распространяться с начала 12 века, при чем наружный вид их и внутреннее устройство почти без изменения прошли через века, сохранившись в «ветряках» и «млынах» на Украине.

Ветряные двигатели, состоявшие обыкновенно из горизонтального вала с четырьмя или шестью лопастями и устроенные так, что их можно было устанавливать против ветра, нашли, благодаря простоте своей конструкции, самое широкое применение в сельском хозяйстве, где ими пользуются для помола зерна. В Голландии с давних пор ветряные двигатели употребляются также для откачивания воды с земель, залитых морем (польдеров) и осушаемых болот.

В СССР, по данным на 1923 год, имелось около 200.000 ветряных мельниц, общей мощностью в 540.000 лош. сил. В 1914 году из общего урожая 3,4 миллиарда пудов на них было перемолото около 2 миллиардов. За границей ветряные двигатели почти совершенно исчезли, уступив место более надежным и сильным паровым и иным двигателям. Тем не менее, в последнее десятилетие и здесь появились новые мысли, способствовашие возрождению ветряных двигателей. Выяснилось прежде всего, что энергия, которую можно иметь от ветряного двигателя, не так уж мала, как это кажется на первый взгляд.

Измерения показали, что свежий ветер, дующий со скоростью 2,3 саж. в секунду, оказывает на 1 кв. саж. перпендикулярной к его направлению поверхности около 1,5 пудов давления, а сильный ветер, дующий со скоростью 7 саж. в секунду — около 10 пудов. О действии, которому подвергаются предметы со стороны ветра, дующего с силой урагана, не приходится говорить, — в этих случаях давление ветра достигает сотни пудов на 1 кв. сажень.

Новое слово в построении ветряных двигателей сказали американские конструкторы, создавшие около 40 лет тому назад оригинальный тип мощных и легких ветряных моторов, работающих даже при очень слабом ветре и в то же время не боящихся сильных его порывов, так как они имели устройство, автоматически ставившее крылья в безопасное положение от ветра. Кроме того, они имели приспособление — нечто вроде большого флюгера, автоматически устанавливавшее ветряной двигатель в наивыгоднейшее его положение. Американские ветряные двигатели делаются целиком из железа и имеют не шесть, а множество переставных железных лопастей, составляющих вместе довольнто значительную поверхность. Устантавливаются они обыкновенно на высоких решетчатых башнях и служат для подъема воды, вращения небольших мельниц и станков, а также для производства электрической энергии. В Южной Америке они имеются почти в каждом более или менее крупном хозяйстве; в одной Аргентине таких двигателей установлено более 40.000 штук.

Читать еще:  Два двигателя как генератор

Главным недостатком ветряного двигателя служит неравномерность развиваемой им силы, обуславливаемая непостоянством ветра. Может случиться так, что в самое нужное время ветер утихнет, двигатель остановится, и обслуживаемые им чашины станут. Для этого ветровые установки полезно соединять с каким-нибудь другим двигателем, работающим во время безветрия. Для этой же цели чаще всего пользуются батареей электрических аккумуляторов, заряжаемых во время работы ветрового двигателя и питающих во время остановки ветрового двигателя обслуживаемые им механизмы и осветительную сеть. Такие комбинированные ветро-электрические станции могут иногда оказаться не менее выгодными, чем гидравлические и тепловые установки.

Фиг. 1-ая (слева). Схема ветродвигателя с вертикальным валом и вертикальными полузакрытыми крыльями. Фиг. 2-ая. Схема «виндротора» Савониуса.

Много надежд возлагают сейчас на применение к ветровым двигателям ротора Флеттнера 1) с таким успехом примененного в мореплавании. Ныне составлен проект постройки около Берлина огромных железных башен 200 метров высотой, с гигантскими ветровыми колесами и ротором, которые должны развивать мощность в несколько тысяч лошадиных сил.

В связи с о6щим развитием техники использования естественных источников энергии, в ряде стран обратили серьезное внимание на конструирование ветряных двигателей совершенно особого типа. Конструкторская мысль идет здесь по нескольким направлениям. Есть попытки вернуться к старым типам двигателей с вертикальным валом и вертикальными крыльями, половина которых закрыта полукруглым щитом (рис. 1). Достоинства таких двигателей в том, что он всегда готов к действию, т. к. закрывающий щит автоматически устанавливается по ветру. Минусом этого двигателя служит то обстоятельство, что одновременно используется лишь одна половина поверхности крыльев. Недавно во Франции одним изобретателем был составлен интересный проект ветряной турбины, состоящей из конического кожуха, установленного на высокой площадке и могущего при помощи рулевого оперения автоматически устанавливаться своим узким отверстием против ветра. Последний через это отверстие и через несколько кольцеобразных щелей врывается внутрь конуса и заставляет вращаться несколько (от 3 до 5) воздушных колес R, снабженных специальными направляющими аппаратами S. Сила вращения через зубчатую передачу и вертикальный вал передается на вал динамо-машины, установленной в закрытом помещении под ветряной вышкой.

Новый французский проект ветряной турбины.

Еще интереснее и, кажется, практичнее изобретенный в 1924 году финл. инж. Савониусом ветряной мотор, названный им «виндротором» (см. рис. на пред. стр.). Схема его чрезвычайно проста: двигатель состоит из двух полуцилиндрических кусков, сдвинутых один относительно другого на половину диаметра и укрепленных на общем валу. Сверху и снизу эти полуцилиндры скреплены двумя плоскими дисками. Действие этого двигателя заключается в том, что ветер, ударяя на согнутую сторону крыла, отчасти отбрасывается назад, увеличивая тем эффект вращения. Двигатели эти не нуждаются ни в каком направляющем аппарате, просты по конструкции и развивают значительную силу. В СССР разработкой теории и практики ветряных двигателей занят Центральный Аэро-Гидродинамический Институт в Москве (ЦАГИ), давший уже много ценного в этой области. Здесь мы, также, как и в других отраслях научно-технического творчества последнего времени, сумели сказать свое слово.

1) Принцип ротора следующий: если в потоке воздуха с определенной быстротой вращать длинный легкий барабан, то последний, благодаря отклонению встречных воздушных струй, получит боковое движение. Как выяснили опыты, два таких больших ротора могут вполне заменить на судне существовавшие там паруса.

Обзор вертикальных ветрогенераторов

Мы являемся свидетелями развития науки и техники, возникновения сверхэффективных технологий и в то же время в области энергетики мы можем наблюдать парадоксальную тенденцию возвращения к древнейшей технологии использования ветряной энергии. Её использовали в Китае и на Среднем Востоке более 10 веков назад.

Этому парадоксу есть объяснение. В начале 21 века общество остро столкнулось с проблемой ограниченности ископаемых энергоресурсов. Сегодня происходит замена технических инструментов традиционной энергетики, губительно влияющей на окружающую среду, на возобновляемые экологически чистые источники энергии, в том числе ветровые.

Несмотря на то, что ветка первенства сегодня принадлежит горизонтальным ветрогенераторам, популярность вертикальных ветрогенераторов стремительно растёт. Это объясняется, в том числе тем, что учёные теоретически и экспериментально доказали, что вертикальные ВЭУ в состоянии догнать по эффективности горизонтальные.

Ретроспектива вертикальных ВЭУ

Вертикальные ветряки человечество использует уже очень давно. Первые документальные упоминания о вертикальных ВЭУ датированы приблизительно 500-900 годами до нашей эры. В документах описан персидский механизм. Его применяли для добычи подъема воды и помола зерна. Со временем такой ветряк получи название «panemone», т.е. вращается при любом направлении ветра.

Первый ветряной двигатель с вертикальной осью вращения

Вертикальные ветряки использовались и в Китае. Его, кстати, часто упоминают, как родину вертикальных ветряков. Бытует мнение, что ветряную мельницу изобрели именно в Китае более 2000 лет назад. Но самое раннее упоминание о ней датированы 1219 годом нашей эры. Это была ветряная установка с карусельным ротором. В нём использовался принцип давления ветра, с плоскими парусными лопастями. При движении в направление ветра они разворачивались перпендикулярно потоку воздушной массы, а при движении навстречу ветру – параллельно ему.

В 9 веке н.э. в Персии в городе Нех функционировало 75 ветряных мельниц.Они были построены на возвышенности, расположенной перпендикулярно к направлению преобладающего северного ветра, действующего в этой местности в течение 4 месяцев в году со скоростью 28-47 м/с. Ветряной двигатель персидских мельниц представлял собой вертикально-осевой карусельный ротор с 8 плоскими лопастями из тростника высотой 5,5 м и диаметром 4,3 м. При скорости ветра 30 м/с его мощность составляла около 16 кВт.


Персидская ветряная мельница с вертикально-осевым карусельным ротором

Чтобы повысить эффективность перед лопастями, движущимися навстречу ветру, был установлен экран. Он снижал тормозящий момент ротора, закрывая лопасти от ветра. 50 таких ветряных мельниц были в рабочем состоянии в 1963 году и, вероятно, эксплуатируются и сегодня. Стоит отметить, что схема изобретенного более 1000 лет назад вертикально-осевого карусельного ротора с плоскими и чашечными лопастями и сегодня применяется практически без изменений.


Вертикально-осевая ветроэлектрическая установка Д. Блиса с карусельным ротором

В наше время успешно используются ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, получившие патент на конструкцию начиная с 3-го десятилетия ХХ века

а) Ротор Савинуса. Изобретён в 1922 году финским инженером Сигурдом Йоханнесом Савониусом.
б) Ротор Даррье. Изобретён французским авиаконструктором Жоржем Даррье в 1931 году.
в) Ротор Масгрова. Изобретён английским доктором Масгров из Ридингского университета в 1975 году.
г) Ротор «Виндсайт». Изобретён финном Йутсиниеми в 1979 году.
д) Геликоидная турбина Горлова. Изобретена профессором Северо-Восточного Университета Бостона (США) Александром Горловым в 2001 году. Турбину с небольшими отличиями повторяют турбины ветряных электроустановок “Tvister”, “Turby”, “Quitrevolution” и др.

Принцип работы

В современных ветряных электроустановках энергия преобразуется в 2 этапа:
1. Кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую.
2. Механическая энергия преобразуется в электрическую.

Чтобы энергия ветра превращалась в механическую используют аэромеханические устройства или ветродвигатели. За границей их называют ветряными турбинами. Ветряной двигатель берёт у движущегося с определённой скоростью воздушного потока часть его кинетической энергии. Величина кинетической энергии зависит от принципа работы установки, габаритов движущейся части и режима работы.

Есть 2 основных способа отбора мощности ветра. На них базируется работа современных ветряных двигателей.
Первый способ использует феномен подъемной силы крыла, которое имеет соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущем потоке воздуха. Проще говоря – это ветродвигатели подъёмной силы.
Второй способ базируется на дифференциальном (неодинаковом) лобовом сопротивлении твердого тела асимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления ветра. Это ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления.
Есть конструкции, сочетающие оба способа в разном процентном соотношении.

Чтобы проводить сравнительную оценку технических решений, в ветровой энергетике выработаны критерии, которые характеризуют энергоэффективность конструкции и режим работы:
1. Коэффициент использования ветряной энергии – отношение механической мощности, которую развивают ветряные двигатели, к механической мощности воздушного потока, протекающиго через пространство, ометаемое рабочими поверхностями ветродвигателя. В зарубежной ветряной энергетике данный коэффициент обозначают Cp (СиПи фактор). Теоретики доказали, что для идеального ветряного двигателя, в котором не учитываются потери, величина СиПи фактора не может превышать 0,593. Это число называли лимитом Бетца. По определению является безразмерной.
2. Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости самой удалённой оси вращения ветряного двигателя точки крыла (определяется радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, принято обозначать символом U. Быстроходность по определению величина безразмерная. Считается, что ветряной двигатель тихоходный, если U

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector